Giriş: Mühendislik Görünmez
On yıllardır, anten tasarımı temel fiziksel bir kısıtlama tarafından yönetiliyor: verimli bir radyatörün büyüklüğü, çalışma dalgalarının önemli bir kısmı olmalıdır.Bu ilişki, klasik elektromanyetik elektromanyetikler içinde temellenmiş, geleneksel olarak mühendislerden performans ve kompaktlık arasında seçim yapmak zorunda kaldı. Ancak, yeni bir mühendislik materyali - metamalzemeler - yeniden yazılması gereken kurallar.
Metamalzemeler Nedir? Mühendisli Elektromanyetiklere Derin Dive
Metamalzemeler, elektromanyetik özellikler doğada bulamadıkları için tasarlanmış yapay olarak yapılandırılmış malzemelerdir. Atom veya moleküler seçmenlerden gelen malzemelerin aksine, metamalzemeler, alt dalga uzun bina bloklarının geometrisinden ve düzenlemesinden kaynaklanmaktadır - genellikle "meta-atomlar" olarak adlandırılır. Bu birim ilgi dalga boyun eğlendiriciler, malzemenin klasik fizikle etkileşime girmesine izin verir.
Olumsuz Refraktif Endeksi ve Sol-Handed Paradigm
Belki de en ünlü metamalzeme özelliği negatif bir reraktif indeksdir. Doğal malzemelerde, refraktif indeks pozitiftir: yoğun bir ortama girildiğinde normale doğru ışık virajları. negatif-index metamalzeme (NIM), hem de izinsizlik μ aynı anda negatiftir, negatif bir indekse yol açar.Bu da dalgalar "daha fazla" - bir kez daha tamamen teorik olarak.
- [FONT=0)Backward-wave propagation[[Dönesel)[[Dönesel)] – alt dalga uzun resonatörler için faz tazminatı elde etmek için grup hızı.
- [FONT:0)Reversed Doppler değişimi[[Dönetici: 1) - hareketli bir kaynak, geleneksel fiziğin tam tersinde frekansları değiştiriyor.
- [FONT:0]Superlensing[Dönetici:0)[Dönetici:0)[Döneticileri) – diffraction limitinin ötesinde dalgalara odaklanma yeteneği, yakın saha anteni darbesi için kritik.
Bu özellikler sadece kıvrımlar değildir; anten kazanç, bant genişliği ve boyut azaltımı için dramatik gelişmeler için temel oluştururlar.
Metamalzemelerin türleri Anten Tasarımlarına Göre İlişkili
Anten mühendisleri, çeşitli farklı metamalzeme sınıflarıyla çalışır, her biri eşsiz elektromanyetik yanıtlar sunar:
- [DNG) Çift-negative (DNG) metamalzemeler: [DNGT:1] Hem ⁇ hem de μ negatif. faz mühendisliği ve geri dalga antenleri için kullanılır.
- [FONT=0)Epsilon-negative (ENG) malzemeler:[Dönetici:[Dönetici:0) Olumsuz izin verme sadece, genellikle anten zemin-gezegenyi azaltmak için kullanışlı.
- [FONT:0)Mu-ngative (MNG) malzemeler: [Dönetici:0) Sadece bölmeli resonatörler (SRRs) ile fark edilen, enable manyetik alan konsantrasyonu.
- [FONT:0]Bi-anisotropic metamalzemeler: Elektrik ve manyetik alanlar arasında çapraz-koupling, kutuplaşma kontrolü ve chirality teklif.
- [FONT:0)Metasurfaces:[Dönetici:[Dönetici:0)[Döneticileri:[Döneticileri:)[Dönemli kalınlık ile iki boyutlu planlayıcı versiyonlar, uygun olmayan bir şekilde, doğrulayıcı, kirişli direksiyon ve RCS azaltımı için kullanılır.
Her tür geometri, periyodiklik ve substrat seçimi ile mikrodalga, milimetre- dalga ve hatta görünür frekanslar arasında belirli elektromanyetik yanıtlar elde etmek için uyarlanabilir.
Metamateryallerle Anten Performansı
Performans geliştirme sadece bir yan fayda değildir - genellikle metamalzemeleri anten sistemlerine dahil etmek için birincil sürücüdür. Konvansiyonel antenler, bant genişliği, verimlilik ve boyut (bu sözde "Chu-Harrington limiti" olarak adlandırılır).
Kazanma ve Doğrudanlik
Bir metamalzeme lens veya süperstrate ile bir anten yüklemeye göre mühendisler, bir planlı antenin üzerinde kısmen yansıtılmış bir metafiziksel rezonansa sahip, aperture olmadan doğrudan bir ölçeklendirmeye olanak sağlar.Ortalama uygulamaları, 5 ila 10 dBmetamate Fabry-Pérot boşluğunun iyileştirilmesi) literatürde bildirilen bir mikro yükleme yöntemiyle, bir mikro yüklemede tek başına bir yükseltilen bir yükseltici bir metafiziksel yükselteç, bir yükseltici yükselteçmiş gibi bir amplifiğe sahip olmak.
Başka bir teknik, elektromanyetik dalgalar büyük bir alana kadar yayılabilir, bu yaklaşım özellikle fazlanmış diziler için değerlidir, elementlerin arasındaki faz hatalarının kiriş performansına indirgenebilir.
Band Wide Geliştirilmiş
Konvansiyonel dar bant antenleri - örneğin yama resonatörler - genellikle sadece yüzde birkaç oranında zarar verici. Metamalzemeler bunu temel modlarla birleştiren ek rezonans modlarını ortaya çıkarabilir, daha geniş bir işletim grubu oluşturma.FLT:0))) Karşılaştırmalı bölmeli resonatörler (CSRRs) bir mikrostrip anteni oluşturma aracının zemin uçağa doğru bir şekilde ayarlandığında, daha genişleyen bir bant oluşturmada% 40'tan fazla artış gösterdiler.
Ayrıca, CRLH'nin birden çok frekans bandında çalışan antenlerin tasarımını aynı fiziksel apertureden genişleyen ve geri dalga yayılımı için destek vermektedirler.
Dizilerde Karşılıklı Coupling'in Azaltılması
Anten dizilerinde, yakın uzaylı elementler güçlü karşılıklı darbeden muzdariptir, ki bu da sınıfların desen şekli, tarama dürtüleri ve kutuplaşma saflığı. Metamal elektromanyetik bandgap (EBG) yapılar, diziler arasında yer alan, 0.1 dalgalar ve çift komşular arasında yer alan. 0) 5G taban istasyonlarında büyük MIMO sistemleri için kritiktir).
Geliştirilmiş Impedance Matching ve Polarizasyonlu
Metamalzemeler ayrıca yüksek hacimli bir dışsal kutuplama kaynağının serbest alana kadar taşınmasına yardımcı olabilir. AETHFLT:0)Temtamateryal sınıflama (GRIN) lens), tek bir alt dalga geçişine yerleştirilen dalga, yüksek dereceden dış kutuplaşmaya izin verir.
Antenlerin Miniaturizasyonu: Boyuttan Çıkarın – Wavelong Barrier
Belki de metamalzemelerin en ticari olarak zorlayıcı kullanımı anten miniaturizasyondur. Chu-Harrington limiti, elektriksel kazanç elde eden bir ürünün fiziksel büyüklüğünden çok daha büyük bir anteni daraltması için. kabul edilebilir performansın, geleneksel yöntemler (dielektrik yükleme, isteyerek) geri yüklemenin azalmasına yol açıyor. Metamalzemeler, bu sınırı tekrar ele geçirmek için bir yol sunar.
Subwavelong Resonant Structures
Metamal miniaturizasyon kalbinde, rezonans frekansının yüksek kapasiteli ve ring geometrisi yoluyla yüksek oranda düşük hale getirilmesi yeteneğidir., örneğin, resonant frekansının, yüksek öz kapasitelilik ve kendini en yüksek frekanslı kayma ile yüksek düzeyde yapılır.
İlgili bir teknik, OKT:0)Kompaklık devreleri (CSRR)) ve mikrostrip hattı tarafından heyecanlandığında, ÖSSRs negatif etkili bir olasılık yaratır, subwave uzun vadeli bir yük devretme modları destekler.
Epsilon-Near-Zero (ENZ) ve Mu-Near-Zero (MNZ) Yaklaşımlar
Yakın zamana bağlı olarak malzeme (ENZ) veya permeability (MNZ), kanaldaki etkili faz hızlarını büyük ölçüde artırmak için, her zamanki difraksiyon sınırlamaları olmadan tünele izin verir.In anten design, an ENZ katmanı, form faktörleri arasında yerleştirilebilir, kanal içindeki 60-70 hıza kıyasla dramatik bir şekilde artacaktır.Bu aşamadaki tazminat, yarı dalga uzunluğuna göre çok daha kısa sürede tekrarlanabilir.
Metamal-Inspired Compact Antennas
Gerçek metamalzemeler meta-atomların periyodik dizilerini gerektirirken, birçok pratik kompakt antenler "metamate-inspired" yapıları kullanır - mimik metamalzeme etkileri olan tek veya birkaç rezonans elementleri içerir: Örnekler şunlardır:
- [FONT:0]Mushroom-like EBG yüzeyleri [DDDD:0) düşük profilli monopoleler için bir zemin uçağı olarak kullanılan, yüksek çözünürlükte ⁇ /20'ye kadar yüksekliği azaltın.
- [FONT:0)Köpektif olarak yüklenen döngüler[Dönder: 1), alt dalga boyundaki baskılarda sol el davranışı ortaya koyar.
- Multi-katlı SRRs Bu işlev, boyut < ⁇ /15 ile manyetik bir dipol olarak çalışır.
Bu tasarımlar tam periyodik dizilerden daha kolay ancak hala önemli büyüklükteki azalmalar elde ediyor.
Vaka Çalışması: IoT Sensörleri için Miniaturized WiFi Antenna for IoT Sensörs
Yaklaşık 31 mm'lik bir miktar dalga uzunluğu gerektiren tipik 2.4 GHz monopole düşünün. Tek bir SRR ayarlı olan tek bir USB GHz ile 2.4 GHz, araştırmacılar sadece 7 mm'nin toplam fiziksel uzunluğu ile antenler ürettiler ( ⁇ 0/18) ve% 8'lik bir hız genişliği azaltıcı bant genişliğine sahipken.
Uygulamaları Across Industries
Geliştirilen performans ve miniaturizasyon yakınlığı, geniş bir sektör için metamalzeme antenleri cazip hale getiriyor.
Beşinci-Generation (5G) ve Öteki
5G baz istasyonları, 64 ila 256 elementle büyük MIMO dizilerini gerektirir, tüm kompakt bir hacimde. Metamalzeme teknikleri karşılıklı darbeyi azaltır ve elementin 0.3 ⁇ 'nin ısıtılmasına izin verir, daha sıkı paketleme sağlar. Kullanıcı ekipman antenleri, akıllı telefonlara sığmayan minicik versiyonlardan yararlanır. Millimeter- dalga fazlı dizileri kullanarak sabit devreler ağırlık ve maliyetle değiştirir.
Uydu ve Havacılık İletişimi
Uydular, minimum stilize hacimle hafif, yüksek geri anten talep ediyor. Metamalzemeler ve kapsamış horn antenleri, Ku / Ka gruplarında 30+ dBi kazanırken% 40 toplu azaltımı gösterdi. Hava yoluyla platformlar için, kontrasepsiyon yüzeyleri takip eden uygun metamalzeme yamaları aerodinamik sürüklenme olmadan her türlü yönlü kapsama sağlar.
Tıbbi İmplantlar ve Giyilebilirler
Biyomedikal implantlar, 402-405 MHz MICS bandında çalışan antenler gerektirir, ancak insan vücuduna karşı iyi bir avantaj sağlar, geleneksel bir kumayak implant veya hızlayıcının üzerinde önemli bir avantajdır. Metamal-loaded döngü antenleri bunu belirli bir absorpsiyon oranı ile elde eder (SAR) esnek metamalzeme substratları kullanarak kullanılabilir.
Otomotiv Radarı ve V2X
Otomotiv radar modülleri (24 GHz, 77 GHz) bumper ve logoların arkasına sığmalıdır. Metamal bazlı dalga kılavuzları ve metasurface lensleri uzun menzilli algılama için uygun düz profilli antenler sağlar. Araç-to-her şey (V2X) sistemleri, minyatür çatı modüllerine entegre edilmiş küçük metamalzeme antenleri veya çatı modülleri kullanır.
Meydanlar ve Sınırlar
Onların sözüne rağmen, metamalze antenler henüz tüm geleneksel tasarımları için bir damla-in yedek değildir. Çeşitli engeller kitlesel pazarlama kabul için ele alınmalıdır.
Yüksek Frequencies'da kayıp
Mikrodalga ve özellikle milimetre dalga frekanslarında, bölünmüş halkalar ve tellerdeki metaller ohmik kayıplardan muzdariptir.Geçmişlerde daha fazla verimlilik azaltmaktadır. Birçok metamalzeme tasarımları için, mevcut Q-faklar fizikle sınırlı değildir, ancak iletken kayıplarla birlikte. Araştırmacılar süper iletkenler ve düşük kiloları keşfederler, ancak bu artış maliyet ve karmaşıklıkta.
Narrowband Davranışı
Çoğu resonant metamalzeme elementleri doğal olarak dar bantdır - modern iletişim için gerekli geniş bant genişliği ile çatışmaların birçok örtüşme resonances gerektirir, bu da tasarım karmaşıklığı ve genellikle genel boyut artırır. Aktif veya tonable meta-atomlar (evcutlar veya MEMS anahtarları ile) bunu hafifletebilir, ancak güç tüketimi ve güvenilirlik endişelerini ortaya çıkarabilir.
Kumaşlama Hoşgörüleri ve Maliyetleri
Yüksek hassas (mikrometre veya alt-mikrometre doğruluğu) ile alt dalga uzunluğu modelleri PCB süreçleri için kullanılabilir, ancak yüksek hacimli tüketici elektronikleri ile yüksek hacimli frekanslarda veya ring radii değişimi rezonans frekansları, 3D lazer lithografi veya inkjet baskısı gibi yüksek hacimli yüzeyler için çok pahalı kalır.
Anisotropy ve Angular Hassasiyet
Birçok metamalzeme belirli bir kutuplaşma ve inme açısı için tasarlanmıştır. Off-kahka veya çapraz-polarize dalgalar çok farklı özellikleri görür, kullanımlarını her türlü yönlü veya kutuplaştırma-diverse senaryolarında sınırlamak zordur. Isotropic metamalzemeler, 3D lattices kullanarak çabalar devam eder.
Active Electronics ile entegrasyon
Metamal resonatörler genellikle yakındaki metalik nesnelere ve dielektrik yüklerine karşı hassastır, RF anahtarlarla entegrasyon, yükselteçler ve anten besleme ağının bir parçası olarak metamalzemelerini tedavi eden yöntemler hala aktif bir araştırma alanıdır.
Future: What Lies Ahead
Üretim teknikleri önceden ve malzeme bilimi ilerlemeleri olarak, metamalzeme anteni kabul etme engelleri yavaş yavaş düşüyor.
Katkı İmalatı ve 3D Baskı
3D baskı, karmaşık geometrilerle tamamen üç boyutlu metamalzemeler, planlı litografi ile üretebilmeleri mümkün değildir. Dielektrik ve iletken malzemeler, sınıflanmış lensler ve hacimsel rezonans yapılar oluşturmak için ortak olabilir.Bu yaklaşım özel olarak tasarlanmış antenler, belirli platformlara göre tasarlanmış performansla ifade eder.
Yeniden yapılandırılabilir ve Akıllı Metasurfaces
Varactors, PIN diyotları veya grafikte bazlı tonable elementleri birim hücrelerine entegre etmek, metamalzeme elektromanyetik özelliklerini gerçek zamanlı olarak değiştirebilmelerini sağlar.Rekonurable metasurface antenler yüksek hacimli kapsama modları arasında geçebilir ve hızla değişen kanal koşullarını sağlar ve hatta uzaysal çokluxingleri sıklıkla "akıllı yansımaları" olarak adlandırılır (IRS) ve 6G araştırma için sıcak bir konudur.
Nonlinear ve programlanabilir Metamalzemeler
Lineer pasif yapılar ötesinde, aktif bileşenleri içeren doğrusal olmayan metamalzemeler (örneğin, transistörler veya fotodiodes) frekans dönüştürme, harmonik nesil ve anten içinde karıştıran sinyal. Böyle "programlanabilir" malzemeler, paraşütlü ve RF ön uç işlevleri ile transceiver mimarisi basitleştirebilir.
Kuantum-Mühendis Metamalzemeler
Sınırda, metamalzemelerdeki kuantum etkiler ultra-düşük-küçük antenleri süper iletken meta-atomlar kullanarak veya yarı iletken nanoyapılarda kazınarak kullanabilir.Ancak, bu yaklaşımlar verimlilik ve miniaturizasyonu temel sınırlara zorlamaya söz verir.
Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç
Metamalzemeler, anten mühendisleri için pratik bir araçta bir laboratuvar merakından evrim geçirdiler.Onların negatif refraktif indeksler, yakın çevreli parametreler ve alt dalga uzun metson yanıtları elektromanyetik dalgalar üzerinde eşi benzeri olmayan bir kontrol sağlar. - daha yüksek kazanç, daha geniş bant genişliği, daha düşük darbe - ve minimizasyon 5G için prototiplerde gerçekleştiriliyor, IoT tıbbi, ve uzay aracı uygulamaları.
Alan hızla ilerliyor; mühendisler ve araştırmacılar, son zamanlarda IEEE Transactions on Antennas and Propagation issues düzenli olarak metamalzeme tasarımları ile ilgili gelişmelerle devam etmeye teşvik edilir. [FONT:0]A seminal overview by Shalaev (2007) in Nature Photonics), son zamanlarda IEEE Transactions on Antennas and Propagation issues regularly features a metamate antenler üzerinde araştırma.[GNT|D)[TFLT:2Engheta and Ziolkowski'nin metamateryaller hakkında ders kitabı) kesin bir referans olarak kalır.